Forscher entwickeln selektiven Katalysator, der die Korrosion in Automobil-Brennstoffzellen eindämmt

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Yong-Tae Kim und Doktorand Sang-Hoon You an der Pohang University of Science & Technology (POSTECH) hat einen selektiven Katalysator entwickelt, der die Korrosion in Brennstoffzellen für wasserstoffbetriebene Automobile eindämmt.

Durch die Anpassung der Wasserstoffoxidationsreaktion an die Wasserstoffkonzentration in der Brennstoffzelle konnte das Team die Korrosion der Brennstoffzellen verhindern. Die Forschung wurde in ACS Energy Letters veröffentlicht.

Brennstoffzellen unterliegen zahlreichen Faktoren, die ihre Haltbarkeit verschlechtern. Eine davon ist die Verschlechterung, insbesondere des Kathodenkatalysators, der in Automobilen routinemäßig Start- und Abschaltvorgängen ausgesetzt ist. Während des normalen Fahrzeugbetriebs werden Brennstoffzellen kontinuierlich mit hochkonzentriertem Wasserstoff versorgt, die Wasserstoffkonzentration nimmt jedoch vorübergehend ab, wenn das Auto ausgeschaltet oder gestartet wird. Wenn sich Außenluft mit Wasserstoff in den Brennstoffzellen vermischt, wird folglich eine unbeabsichtigte Sauerstoffreduktionsreaktion in der Anode ausgelöst, die zu plötzlichen Potentialsprüngen und Kohlenstoffkorrosion in der Kathode führt.

Links. Im Bild ist ein Wasserstoff-Spillover dargestellt, bei dem sich TiO2 unter Bedingungen hoher Wasserstoffkonzentration in TiOOH umwandelt, was die Wasserstoffmobilität an der Oberfläche fördert und folglich Leitfähigkeit erzeugt. Rechts. Das Bild zeigt, dass bei relativ niedrigen Wasserstoffkonzentrationen die starke Wechselwirkung zwischen Pt und TiO2 zur Bedeckung von Pt durch TiO2 führt. Bildnachweis: POSTECH

Das Forschungsteam entwickelte einen Katalysator (Pt/TiO2), der aus auf Titandioxid (TiO2) abgeschiedenem Platin (Pt) besteht und die Korrosion in Brennstoffzellen, die in wasserstoffbetriebenen Automobilen eingesetzt werden, wirksam stoppt. Die Leistung dieses Elektrokatalysators beruht auf der starken Wechselwirkung zwischen Titandioxid und Platin und der Fähigkeit des Wasserstoff-Spillovers, die Oberflächenleitfähigkeit des Materials als Reaktion auf die Wasserstoffkonzentration in seiner Umgebung zu verändern.

Wenn ein Fahrzeug plötzlich anhält oder startet, nimmt die Wasserstoffkonzentration im Kraftstoff entsprechend ab. Als Folge dieser Verringerung der Wasserstoffkonzentration kommt es zu einer Ausdehnung von Titandioxid auf Platin, was dazu führt, dass Platin unter der Oberfläche des Katalysators vergraben wird. Dieses durch die Expansion von Titandioxid verursachte Eingraben des Platins verwandelt den Katalysator aufgrund der geringen Leitfähigkeit von Titandioxid letztendlich in einen Isolator.

Diese isolierende Wirkung beeinträchtigt die Fähigkeit des Katalysators, Strom zu leiten, und verhindert so eine unerwünschte Sauerstoffreduktion, die zu plötzlichen Potentialsprüngen in der Kathode führen könnte.

Im Normalbetrieb hingegen bleibt die Wasserstoffkonzentration hoch. Unter solch hohen Wasserstoffkonzentrationsbedingungen wird das hochleitfähige Platin auf der Oberfläche des Katalysators freigelegt und es kommt zu einer Reduktion von Titandioxid, was die Wasserstoffmobilität auf der Oberfläche des Katalysators fördert. Dieses als Wasserstoff-Spillover bezeichnete Phänomen verstärkt den Stromfluss und erhöht die Wasserstoffoxidationsreaktion.

Das Forschungsteam führte außerdem einen Simulationstest durch, um den neu entwickelten Katalysator mit herkömmlichen Katalysatoren zu vergleichen. Die Testergebnisse zeigten, dass Brennstoffzellen mit Pt/TiO2-Katalysator im Vergleich zu herkömmlichen Brennstoffzellen eine dreimal höhere Haltbarkeit aufwiesen.

Diese Studie wurde mit Unterstützung des Future Material Discovery Program, des Hydrogen Energy Innovative Technology Development Project und des Mid-career Researcher Program der National Research Foundation of Korea durchgeführt.

Ressourcen

Sang-Hoon You, Sang-Mun Jung, Kyu-Su Kim, Jinhyeon Lee, Jinkyu Park, Ho Yeon Jang, Sangyong Shin, Hyunjoo Lee, Seoin Back, Jinwoo Lee und Yong-Tae Kim (2023) „Verbesserte Haltbarkeit von Automobilen Brennstoffzellen durch Selektivitätsimplementierung durch Wasserstoff-Spillover auf der Elektrokatalysatoroberfläche“ ACS Energy Letters 8 (5), 2201-2213 doi: 10.1021/acsenergylett.2c02656

Gepostet am 14. Mai 2023 in Katalysatoren, Brennstoffzellen, Wasserstoff, Markthintergrund | Permalink | Kommentare (0)